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CN110227565B - 微流控器件及制作方法、生物分子数量检测方法及系统 - Google Patents

微流控器件及制作方法、生物分子数量检测方法及系统 Download PDF

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CN110227565B CN201910553499.1A CN201910553499A CN110227565B CN 110227565 B CN110227565 B CN 110227565B CN 201910553499 A CN201910553499 A CN 201910553499A CN 110227565 B CN110227565 B CN 110227565B
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Abstract

本发明公开一种微流控器件及制作方法、生物分子数量检测方法及系统，包括玻璃衬底；形成在玻璃衬底上的多个第一金属条；覆盖多个第一金属条的光刻胶体；形成在光刻胶体中的流道空腔；形成在光刻胶体上的多个第二金属条，其中第一金属条的首端和尾端与相邻的第二金属条的首端和尾端电连接从而多个第一金属条和第二金属条围绕流道空腔构成空心电感结构。本发明通过在空心电感内腔修饰抗原/抗体对目标分子进行捕获，并通过修饰磁性颗粒的抗原/抗体分子进行标记，通过在电感内腔的抗原/抗体携带的磁性颗粒引起的电感值变化来测量目标分子的数量，无需荧光显微镜等大型设备，便携性和实用性高，测试成本低，并且拆卸维护方便。

Description

微流控器件及制作方法、生物分子数量检测方法及系统
技术领域
本发明涉及生物检测领域。更具体地，涉及一种微流控器件及制作方法、生物分子数量检测方法及系统。
背景技术
使用微流控器件对生物目标分子数量/浓度进行分析已经成为现代医学常用的分析手段。但是常见的微流控器件完成标定后通常采用光学测试的方法进行数量表征，需要涉及荧光显微镜等大型设备，导致器件的便携性/使用的方便性等降低，同时测试设备的成本居高不下，不便于长期维护。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微流控器件及制作方法、生物分子数量检测方法及系统，通过半导体工艺制备空心螺线管电感，通过表征标记在电感内腔的抗原/抗体携带的磁性颗粒引起的电感值变化来测量目标分子的数量。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种微流控器件，包括
玻璃衬底；
形成在所述玻璃衬底上的沿第一方向排列的多个第一金属条；
沿所述第一方向延伸的光刻胶体，覆盖所述多个第一金属条，露出每个第一金属条的首端和尾端；
形成在所述光刻胶体中沿所述第一方向延伸的流道空腔；
形成在所述光刻胶体上的沿所述第一方向排列的多个第二金属条，所述第二金属条沿所述光刻胶体侧壁向所述玻璃衬底方向延伸形成各自的首端和尾端，其中相邻第一金属条的首端和尾端通过一个第二金属条的首端和尾端电连接从而所述多个第一金属条和第二金属条围绕流道空腔构成空心电感结构；
形成在所述光刻胶体的沿所述第一方向的两端的进液口和出液口，与所述流道空腔液体连通。
进一步的，第1个第二金属条的首端作为所述空心电感结构的第一电极，第n个第二金属条的尾端与第n个第一金属条的首端电连接，第n个第一金属条的尾端与第(n+1)个第二金属条的首端电连接，所述第N个第二金属条的尾端与所述第N个第一金属条的首端电连接，所述第N个第一金属条的尾端作为所述空心电感结构的第二电极，
其中，N、n为自然数，且1≤n≤N-1。
进一步的，所述多个第一金属条均沿第二方向延伸；
所述多个第二金属条均沿第三方向延伸，
其中所述第二方向和第三方向夹角为锐角。
本发明的一个实施例还提供了一种微流控器件的制作方法，包括：
在玻璃衬底上形成沿第一方向排列的多个彼此电绝缘的第一金属条；
形成沿所述第一方向延伸的光刻胶体，覆盖所述多个第一金属条，露出每个第一金属条的首端和尾端；
对所述光刻胶体中预形成流道空腔的位置进行曝光；
形成牺牲胶体，覆盖所述光刻胶体和露出的每个第一金属条的首端和尾端；
对覆盖每个第一金属条的首端和尾端位置处的牺牲胶体以及所述光刻胶体的沿所述第一方向的两端预形成进液口和出液口位置处的牺牲胶体进行曝光显影，以露出每个第一金属条的首端和尾端并形成进液口和出液口；
在所述牺牲胶体上形成沿所述第一方向排列的多个彼此电绝缘的第二金属条，所述第二金属条沿所述牺牲胶体侧壁向所述玻璃衬底方向延伸形成各自的首端和尾端，所述第二金属条的首端和尾端与延伸到的对应第一金属条的首端和尾端电连接；
对经过曝光的预形成流道空腔的位置处的光刻胶体进行显影，以形成沿所述第一方向延伸的流道空腔，其中所述多个第一金属条和第二金属条围绕流道空腔构成空心电感结构。
进一步的，对所述光刻胶体和牺牲胶体采用不同显影液进行显影。
本发明的另一个实施例还提供了一种微流控器件的制作方法，包括：
在玻璃衬底上形成沿第一方向排列的多个彼此电绝缘的第一金属条；
形成沿所述第一方向延伸的光刻胶体，覆盖所述多个第一金属条，露出每个第一金属条的首端和尾端；
对所述光刻胶体中预形成流道空腔的位置进行曝光显影，形成沿所述第一方向延伸的流道空腔；
在所述流道空腔中形成图案化金属膜；
形成牺牲胶体，覆盖所述光刻胶体和露出的每个第一金属条的首端和尾端；
对覆盖每个第一金属条的首端和尾端位置处的牺牲胶体以及所述光刻胶体的沿所述第一方向的两端预形成进液口和出液口位置处的牺牲胶体进行曝光显影，以露出每个第一金属条的首端和尾端并形成进液口和出液口；
在所述牺牲胶体上形成沿所述第一方向排列的多个彼此电绝缘的第二金属条，所述第二金属条沿所述光刻胶体侧壁向所述玻璃衬底方向延伸形成各自的首端和尾端，所述第二金属条的首端和尾端与延伸到的对应第一金属条的首端和尾端电连接，其中所述多个第一金属条和第二金属条围绕流道空腔构成空心电感结构。
进一步的，对所述光刻胶体和牺牲胶体采用不同显影液进行显影。
本发明的一个实施例还提供了一种生物分子数量检测系统，包括：
控制器；
信号源；
电压表；
可变电容器；
如上述的微流控器件，
其中
微流控器件的空心电感的第一电极与可变电容器的第一电极电连接，空心电感的第二电极与可变电容器的第二电极电连接；
所述控制器用于调整所述信号源频率以使得所述空心电感和可变电容器谐振；
所述电压表用于通过显示的可变电容器的第一电极和第二电极间的电压值判断是否达到谐振。
进一步的，所述可变电容器制作在柔性印刷电路板上。
本发明的一个实施例还提供了一种利用上述系统进行生物分子数量检测的方法，包括：
在所述流道空腔中修饰抗原或抗体，其中所述抗原或抗体带有磁性量子点标志物；
通过调整所述信号源频率以使得所述空心电感和可变电容器谐振；
将包含目标物质的待测液体从所述进液口进入所述流道空腔并从出液口流出，从而导致所述电感的电感值改变；
调整所述可变电容器的电容值以使得所述空心电感和可变电容器再次谐振；
根据调整后的电容值和再次谐振的频率得到改变后的所述电感值；
根据所述电感值得到所述目标物质的数量。
本发明的有益效果如下：
本发明所述技术方案通过多次曝光，牺牲层释放等手段，在玻璃基板上通过半导体工艺制备空心螺线管电感。在电感内腔修饰抗原/抗体对目标分子进行捕获，并通过修饰磁性颗粒的抗原/抗体分子进行标记。通过表征标记在电感内腔的抗原/抗体携带的磁性颗粒引起的电感值变化来测量目标分子的数量，无需荧光显微镜等大型设备，便携性和实用性高，测试成本低，并且拆卸维护方便。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；
图1为本发明的一个实施例中一种微流控器件结构俯视图和对应的主视剖面图；
图2为本发明的一个实施例中一种微流控器件制作流程示意图；
图3为本发明的一个实施例中一种生物分子数量检测系统电路图；
图4为本发明的一个实施例中一种生物分子数量检测系统结构示意图；
图5为本发明的一个实施例中一种生物分子数量检测方法示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
如图1所示，为本发明一个实施例公开的一种微流控器件结构俯视图和对应的主视剖面图(上图为俯视图，下图为位置对应的主视剖面图)，包括
玻璃衬底(图中未示出)；
形成在所述玻璃衬底上的沿第一方向排列的多个第一金属条1；
沿所述第一方向延伸的光刻胶体2，覆盖所述多个第一金属条1，露出每个第一金属条1的首端和尾端；
形成在所述光刻胶体2中沿所述第一方向延伸的流道空腔3；
形成在所述光刻胶体2上的沿所述第一方向排列的多个第二金属条6，所述第二金属条沿所述光刻胶体2侧壁向所述玻璃衬底方向延伸形成各自的首端和尾端，其中相邻第一金属条1的首端和尾端通过一个第二金属条6的首端和尾端电连接从而所述多个第一金属条1和第二金属条6围绕流道空腔构成空心电感结构；
形成在所述光刻胶体2的沿所述第一方向的两端的进液口51和出液口52，与所述流道空腔3液体连通。
具体的，结合图2本发明一个实施例公开的一种微流控器件结构制作流程图，本实施例中微流控器件的形成过程为：在所述玻璃衬底上形成多个互相平行沿第一方向排列的多个第一金属条1，其中第一方向如图1中箭头所示，为液体在流道空腔3内的流动方向，每个第一金属条1排列时尾端略微向第一方向倾斜设置，第一金属条1的材料可以为Cu/Al/Mo/Ti/Au/Ag等或者金属的组合，通过图形化的方式(如光刻刻蚀、剥离技术等)形成互相平行设置的第一金属条1。
在玻璃基板上涂布光刻胶体2，所述光刻胶体2覆盖所述第一金属条1，为长方体状，对光刻胶体2进行曝光，避光显影形成主视剖面为梯形的电感主体，露出每个第一金属条1的首端和尾端。随后从光刻胶体2的顶部中间位置向内曝光一个长方体作为后续的流道空腔3但不显影，所述长方体的主视剖面图为正方形。在光刻胶体2表面再形成一层牺牲胶体4，覆盖电感主体，牺牲胶体4与光刻胶体2为不同材料的光刻胶，对覆盖每个第一金属条1的首端和尾端位置处的牺牲胶体4以及所述光刻胶体2的沿所述第一方向的两端预形成进液口51和出液口52位置处的牺牲胶体进行曝光显影，分别露出每个第一金属条1的首端和尾端并形成进液口51和出液口52，以及与进液口 51和出液口52连通的已曝光光刻胶体2未显影部分长方体结构。
在所述牺牲胶体4上形成沿所述第一方向排列的多个彼此电绝缘的第二金属条6，所述第二金属条6沿所述牺牲胶体4侧壁向所述玻璃衬底方向延伸形成各自的首端和尾端，所有第二金属条6互相平行，所述第二金属条的首端和尾端与延伸到的对应第一金属条的首端和尾端电连接，形成了围绕电感主体缠绕的金属绕线结构。
最后对经过曝光的预形成流道空腔3的长方体的光刻胶体进行显影，形成沿所述第一方向延伸的流道空腔3，除去腔室中的光刻胶体2，形成通过进液口51和出液口52与外界连通的空心电感结构。
具体的，本发明实施例中设有3个第一金属条1和第二金属条6形成绕线结构，形成过程为：第1个第二金属条6的首端8作为所述空心电感结构的第一电极，第1个第二金属条的尾端与第1个第一金属条的首端电连接，第1个第一金属条的尾端与第2个第二金属条的首端电连接，依此类推，所述第N个第二金属条的尾端与所述第N个第一金属条的首端电连接，所述第 N个第一金属条的尾端9作为所述空心电感结构的第二电极，其中，N、n为自然数，且1≤n≤N-1，其中N在本实施例中为3。所述多个第一金属条1 均沿第二方向(图中左上和右下方向)延伸；所述多个第二金属6条均沿第三方向(图中右上和左下方向)延伸，其中所述第二方向和第三方向夹角为锐角，这样就能使每个第一金属条1和第二金属条6首尾相连环绕在空心电感主体表面形成绕线结构。这样制作的空心电感便携性和实用性高，测试成本低。
作为本发明的一个优选实施例，如果需要在流道空腔3中覆盖金属等薄膜，可在对光刻胶体1的长方体结构进行曝光后直接进行显影形成流道空腔3，然后沉积需要的金属，进行刻蚀形成图案后再覆盖牺牲胶体4，覆盖牺牲胶体 4后形成第二金属条6的步骤不变。这样可以实现对流道空腔3内反应物质的加热(电热)或者加入外电场，及加入射频信号等操作。
在上述实施例中，制作的空心电感的形状可任意设置，不局限于将光刻胶2设置成长方体形状，在不影响实现本发明目的的前提下可将光刻胶2曝光显影成任意所需形状，从图1的俯视图中观察可直观的看到曝光的所需形状。
如图3所示，为本发明的一个实施例中一种生物分子数量检测系统电路图，图中，可变电容器C1、电容器C0、电压表及上述实施例中的微流控器件的两端均并联并分别与交流电源正负极连接。结合图4，为本发明的一个实施例中一种生物分子数量检测系统结构示意图，微流控器件的空心电感的第一电极与可变电容器的第一电极电连接，空心电感的第二电极与可变电容器的第二电极电连接；所述控制器用于调整所述信号源频率以使得所述空心电感和可变电容器谐振；所述电压表用于通过显示的可变电容器的第一电极和第二电极间的电压值判断是否达到谐振。可变电容器制作在柔性印刷电路板上。
如图5所示，为本发明的一个实施例中一种生物分子数量检测方法示意图，其中图5中的第一幅图表示在所述流道空腔中修饰抗原或抗体，然后调整所述信号源频率以使得所述空心电感和可变电容器谐振，记录此时电压表的数值；第二幅图表示将包含目标物质的待测液体从所述进液口进入所述流道空腔并从出液口流出，流道空腔内的抗原或抗体与目标物质结合留在流道空腔内；第三幅图表示将带有磁性量子点的标志物通入流道空腔内，与之前留在流道空腔内的目标物质结合，增加腔内的磁导率μ，从而导致流道空腔内的电感值改变，然后调整所述可变电容器的电容值以使得所述空心电感和可变电容器再次谐振，记录此时电压表的数值变化，根据调整后的电容值和再次谐振的频率得到改变后的所述电感值，根据螺线管电感的电感值公式L＝ (k*μ*N2*S)/l，其中，k为系数，取决于线圈的半径和长度的比值，μ为磁导率，N为线圈圈数，S为线圈的截面积，l为线圈的长度，其中除了磁导率μ其它参数均为定值，磁性量子点的数量与磁导率成正比，根据计算出的电感值反推磁导率变化计算可得到目标物质分子颗粒数量。这样测试出来的分子数量数值精确，且计算简洁，不易出现误差。
本领域的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、装置(设备)、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、装置(设备)和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/ 或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种微流控器件，其特征在于，包括
玻璃衬底；
形成在所述玻璃衬底上的沿第一方向排列的多个第一金属条；
沿所述第一方向延伸的光刻胶体，覆盖所述多个第一金属条，露出每个第一金属条的首端和尾端；
形成在所述光刻胶体中沿所述第一方向延伸的流道空腔；
形成在所述光刻胶体上的沿所述第一方向排列的多个第二金属条，所述第二金属条沿所述光刻胶体侧壁向所述玻璃衬底方向延伸形成各自的首端和尾端，其中多个第一金属条和第二金属条通过沿特定的方向和角度延伸且彼此首尾相连从而所述多个第一金属条和第二金属条围绕流道空腔构成空心电感结构；
形成在所述光刻胶体的沿所述第一方向的两端的进液口和出液口，与所述流道空腔液体连通。
2.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，
第1个第二金属条的首端作为所述空心电感结构的第一电极，第n个第二金属条的尾端与第n个第一金属条的首端电连接，第n个第一金属条的尾端与第(n+1)个第二金属条的首端电连接，所述第N个第二金属条的尾端与所述第N个第一金属条的首端电连接，所述第N个第一金属条的尾端作为所述空心电感结构的第二电极,
其中，N、n为自然数，且1≤n≤N-1。
3.根据权利要求1或2所述的器件，其特征在于，
所述多个第一金属条均沿第二方向延伸；
所述多个第二金属条均沿第三方向延伸，
其中所述第二方向和第三方向夹角为锐角。
4.一种微流控器件的制作方法，其特征在于，包括：
在玻璃衬底上形成沿第一方向排列的多个彼此电绝缘的第一金属条；
形成沿所述第一方向延伸的光刻胶体，覆盖所述多个第一金属条，露出每个第一金属条的首端和尾端；
对所述光刻胶体中预形成流道空腔的位置进行曝光；
形成牺牲胶体，覆盖所述光刻胶体和露出的每个第一金属条的首端和尾端；
对覆盖每个第一金属条的首端和尾端位置处的牺牲胶体以及所述光刻胶体的沿所述第一方向的两端预形成进液口和出液口位置处的牺牲胶体进行曝光显影，以露出每个第一金属条的首端和尾端并形成进液口和出液口；
在所述牺牲胶体上形成沿所述第一方向排列的多个彼此电绝缘的第二金属条，所述第二金属条沿所述牺牲胶体侧壁向所述玻璃衬底方向延伸形成各自的首端和尾端，所述第二金属条的首端和尾端与延伸到的对应第一金属条的首端和尾端电连接；
对经过曝光的预形成流道空腔的位置处的光刻胶体进行显影，以形成沿所述第一方向延伸的流道空腔，其中所述多个第一金属条和第二金属条通过沿特定的方向和角度延伸且彼此首尾相连从而围绕流道空腔构成空心电感结构。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，对所述光刻胶体和牺牲胶体采用不同显影液进行显影。
6.一种微流控器件的制作方法，其特征在于，包括：
在玻璃衬底上形成沿第一方向排列的多个彼此电绝缘的第一金属条；
形成沿所述第一方向延伸的光刻胶体，覆盖所述多个第一金属条，露出每个第一金属条的首端和尾端；
对所述光刻胶体中预形成流道空腔的位置进行曝光显影，形成沿所述第一方向延伸的流道空腔；
在所述流道空腔中形成图案化金属膜；
形成牺牲胶体，覆盖所述光刻胶体和露出的每个第一金属条的首端和尾端；
对覆盖每个第一金属条的首端和尾端位置处的牺牲胶体以及所述光刻胶体的沿所述第一方向的两端预形成进液口和出液口位置处的牺牲胶体进行曝光显影，以露出每个第一金属条的首端和尾端并形成进液口和出液口；
在所述牺牲胶体上形成沿所述第一方向排列的多个彼此电绝缘的第二金属条，所述第二金属条沿所述光刻胶体侧壁向所述玻璃衬底方向延伸形成各自的首端和尾端，所述第二金属条的首端和尾端与延伸到的对应第一金属条的首端和尾端电连接，所述多个第一金属条和第二金属条通过沿特定的方向和角度延伸且彼此首尾相连从而围绕流道空腔构成空心电感结构。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，对所述光刻胶体和牺牲胶体采用不同显影液进行显影。
8.一种生物分子数量检测系统，其特征在于，包括：
控制器；
信号源；
电压表；
可变电容器；
如权利要求1-3中任一项所述的微流控器件，
其中
微流控器件的空心电感的第一电极与可变电容器的第一电极电连接，空心电感的第二电极与可变电容器的第二电极电连接；
所述控制器用于调整所述信号源频率以使得所述空心电感和可变电容器谐振；
所述电压表用于通过显示的可变电容器的第一电极和第二电极间的电压值判断是否达到谐振。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，
所述可变电容器制作在柔性印刷电路板上。
10.一种利用权利要求8或9的系统进行生物分子数量检测的方法，其特征在于，包括
在所述流道空腔中修饰抗原或抗体，其中所述抗原或抗体带有磁性量子点标志物；
通过调整所述信号源频率以使得所述空心电感和可变电容器谐振；
将包含目标物质的待测液体从所述进液口进入所述流道空腔并从出液口流出，从而导致所述空心电感的电感值改变；
调整所述可变电容器的电容值以使得所述空心电感和可变电容器再次谐振；
根据调整后的电容值和再次谐振的频率得到改变后的所述电感值；
根据所述电感值得到所述目标物质的数量。
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